Principios y Métodos de Arranque de Motores Eléctricos: Optimización de Rendimiento y Eficiencia

Conceptos Fundamentales en Máquinas Eléctricas

¿Qué es el Factor de Paso?

El factor de paso es la relación entre el ancho de la bobina de paso acortado y el de paso completo. La bobina de paso cortado no abarca todo el flujo magnético. (Ver Figura 1)

¿Qué es el Factor de Distribución?

El factor de distribución es la relación entre la suma geométrica y la suma algebraica de las fuerzas electromotrices (FEM) individuales. (Ver Figura 2)

¿Cómo se Genera la Cupla Motriz (Par Motor)?

La cupla motriz se forma cuando se cierra el devanado rotórico (cortocircuitado). La fuerza electromotriz (FEM) E2 inducida hará circular una corriente I2 a través de las barras del rotor. Esta corriente, al interactuar con el campo magnético del estator, da origen a una fuerza (F) en cada conductor rotórico, lo que a su vez genera una cupla (par motor).

Para determinar el sentido de giro y la polaridad, se aplican las siguientes reglas:

• a) Sentido de giro y polaridad del campo respecto a los conductores: Se determina mediante la regla de la mano derecha.
• b) Sentido de giro del rotor: Se determina mediante la regla de la mano izquierda.

(Ver Figura 3)

Métodos de Arranque de Motores Eléctricos

Arranque con Autotransformador

Para el arranque con autotransformador, se conectan los puntos 1 y 2, dejando el interruptor 3 abierto. De esta manera, el motor recibe una tensión reducida, la cual puede regularse manual o automáticamente (proporcional al número de vueltas del autotransformador). La tensión aplicada al motor se eleva progresivamente con el aumento de la velocidad del rotor.

Una vez que el motor alcanza una velocidad cercana a la nominal, se cierra el interruptor 3 y se abre el interruptor 2, conectando el motor directamente a la red eléctrica. Es importante destacar que tanto la corriente de arranque (I1) como la cupla (par motor) se reducen al cuadrado de la variación de tensión aplicada.

Entre las ventajas de este método, se encuentran la disminución de las pérdidas por efecto Joule durante el arranque, aunque la cupla de arranque también se ve reducida. (Ver Figura 4)

Arranque Directo

En el arranque directo, las bobinas del motor se conectan, ya sea en configuración estrella o triángulo, de manera directa a la red trifásica.

Durante el arranque, el motor debe generar una gran cupla (par motor) para vencer la inercia y alcanzar su régimen de revoluciones por minuto nominales.

Debido a esto, el deslizamiento se desplaza de s=1 (arranque) a s=sn (velocidad nominal), lo que provoca que las corrientes iniciales puedan alcanzar hasta 8 veces la corriente nominal del motor.

Esta alta corriente de arranque conlleva dos problemas principales:

• La posible caída de potencial en la red eléctrica.
• Las elevadas pérdidas por efecto Joule, que pueden ocasionar daños tanto en las instalaciones como en el propio motor.

(Ver Gráfica de Cupla-Deslizamiento): En la zona estable, el motor puede absorber las variaciones de carga. En contraste, en la rama inestable, un incremento de carga produce una significativa pérdida de revoluciones y una elevación considerable de las intensidades de corriente.

Arranque con Reostato Estatórico

En este método, se intercala una resistencia en cada fase del estator. El valor de esta resistencia se reduce a medida que el rotor gana velocidad, ya sea de forma manual o automática. La cupla (par motor) de arranque se reduce con el cuadrado de la variación de tensión aplicada.

Por ejemplo, si se reduce la corriente de arranque (I1) en 3 veces, esto implica reducir la tensión (U1) en 3 veces, lo que resulta en una cupla 9 veces menor. Además, dado que el reostato conduce la intensidad total del motor, las pérdidas por efecto Joule son considerablemente elevadas en este sistema.

Arranque con Reactancia en Serie

Para este tipo de arranque, se utilizan reactancias con núcleo de hierro-silicio, diseñadas para reducir las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas. Parte de la energía se transforma en campo magnético. Sin embargo, una de las principales desventajas de este método es que la cupla (par motor) de arranque se mantiene reducida.

Arranque Estrella-Triángulo (Y-Δ)

El método de arranque estrella-triángulo consiste en conectar el motor en configuración estrella (Y) para el arranque, y una vez que alcanza una velocidad cercana a la nominal, se conmuta a la configuración triángulo (Δ).

El proceso de conexión es el siguiente:

1. Inicialmente, se cierran las llaves 1 y 3, dejando la llave 2 abierta. Esto establece la conexión en estrella.
2. Posteriormente, se abre la llave 3 (que corresponde al centro de la estrella) y se cierra la llave 2, conectando el motor directamente en triángulo.

Es fundamental que los motores destinados a este tipo de arranque estén construidos para soportar la conexión en triángulo y dispongan de los seis bornes de conexión accesibles.

Arranque con Reostato Rotórico

Este método se aplica a motores con rotor bobinado. El devanado rotórico se encuentra conectado en estrella, y sus tres bornes restantes son accesibles a través de anillos rozantes. Mediante escobillas, se conecta un reostato trifásico que permite modificar la resistencia del circuito rotórico (R'2). Esta modificación afecta directamente la corriente del rotor (I2) y, por consiguiente, la corriente del estator (I1).

Con el reostato rotórico, se logra reducir la intensidad de arranque sin disminuir la tensión aplicada al estator y sin afectar negativamente la cupla (par motor) de arranque. Es posible controlar la cupla de arranque a voluntad, ya que esta no depende directamente de R'2, sino del deslizamiento. Esto permite ajustar el deslizamiento al cual se producirá la cupla máxima.

Posteriormente, la resistencia R'2 se reduce gradualmente, haciendo que el rotor pase por diferentes estados de cupla/deslizamiento. Este método se utiliza principalmente para lograr arranques con una cupla cercana a la máxima cuando la potencia del motor es elevada y otros métodos, como el arranque estrella-triángulo, no consiguen una reducción suficiente en la corriente de arranque.